与此同时，何应钦率领十五万国民党精锐部队，与一万日军、二万伪军互相配合，向仅剩一万余人的抗日同盟军重重围逼，大开杀戒。
冯玉祥离开后，吉鸿昌和方振武坚持斗争，誓死反蒋抗日。然外援完全断绝，粮弹极度匮乏，强敌四面紧逼，处境极其艰险。吉鸿昌、方振武不愧为中华好儿男，联名通电全国，表示：“我们反蒋，是因为他卖国。我们抗日，是要保住祖宗留下的江山！一息尚存，奋斗到底；杀灭倭寇，视死如归；宁为玉碎，不为瓦全。”并将“抗日同盟军”改名为“抗日讨贼联军”。方振武就任代理总司令，吉鸿昌任左路军总指挥，率部誓师，称：“有贼无我，有我无贼。非贼杀我，即我杀贼。半壁河山，已经改色。是好男儿，舍身报国。”随后，方、吉指挥近万人的抗日队伍顽强拼杀，冲破敌军重围，艰苦转战两个多月。
在最艰难的时刻，吉鸿昌始终不忘自己是共产党员，他多次派人与河南的抗日同盟会高树勋部联系，计划把部队改编为中国工农红军，在豫东一带建立苏区；但却因敌军四面围追、堵截而未能如愿。
十月中旬，抗日讨贼军行至小汤山一带，再次陷入商震、庞秉钧、关征麟等部与日、伪军的包围之中。方振武、吉鸿昌率部与敌血战竟日，终因弹尽粮绝，部队死伤惨重。方振武、吉鸿昌力竭被俘，部队被消灭。方、吉在被押解途中侥幸逃脱，潜往天津。蒋介石立即悬赏缉拿。方振武隐姓埋名，逃往湘江。吉鸿昌被国民党军统特务追踪、绑架，押往北平陆军监狱监禁。
抓住了吉鸿昌，蒋介石闻之，不由得暗自窃喜。蒋介石的逻辑是：“抗日有罪，爱国该杀。”他授意北平军政委员会，专门组建军事法庭，以“莫须有”的罪名，对吉鸿昌开庭审判。
在法庭上，吉鸿昌一身正气、大义凛然地宣称：“我是中国共产党党员，由于党的教育，我摆脱了旧军阀的生活，而转到工农劳苦大众的阵营里来。为我们党的主义，为全人类的解放事业而奋斗，感到无尚光荣。”法官秉承蒋介石的旨意，无需多问，便匆忙宣布：“吉鸿昌犯有违抗军令、擅自抗日罪；加入共党，煽动赤化罪；判处死刑，立即枪决。”
1934年11月24日，雪后初晴，寒风刺骨。吉鸿昌一身戎装，外披大红斗篷，在一群特务的押解下，从容不迫地走向刑场。刑场设在北平陆军监狱后院，院内积雪满地，冰挂树梢。吉鸿昌走到院子中央，伸手折下一截树枝，俯身弯腰，在雪地上写诗一首。诗曰：
恨不抗日死，留作今日羞。国破尚如此，我何惜此头。
写讫，吉鸿昌挺直身躯，环目四顾，神情威严。面对身旁的特务，吉鸿昌声色俱厉地喝斥道：“抗日是民族大义，是光明正大的革命事业。我为抗日而死，为革命而死，不能跪下挨枪。我死后不能倒下，给我拿把椅子来。”特务被其威严所震慑，匆忙搬来一把椅子。吉鸿昌慨然就座，昂首挺胸，又大声命令道：“到前面开枪。共产党员要死的光明正大，决不能在背后挨黑枪。蒋介石是大卖国贼，我要亲眼看着他的子弹是怎样打死我的。”其凛凛神威、雄雄气概，令身旁的特务们瑟瑟发抖。特务们在他面前哆嗦着举起枪时，吉鸿昌怒斥道：“草包，手不要发抖。”随即厉声高呼：“抗日万岁！”“中华民族万岁！”“共产党万岁！”在这气壮山河的呼喊声中，共产党员、抗日英雄吉鸿昌壮烈牺牲。何以见得，有诗为证。诗曰：
民族英雄吉鸿昌，光明正大共产党。遗恨未能抗日死，大义凛然赴刑场。从容就座不倒地，要看子弹穿胸膛。转赴阴曹招旧部，化作天兵斗老蒋。
这才是：英雄未能死沙场，却被残害在刑场。四万万人齐下泪，中华民族哭国殇。要知后事如何，且听下回分解。